原標(biāo)題：電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中兩種MOS冗余驅(qū)動(dòng)方案分析

電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中兩種MOS冗余驅(qū)動(dòng)方案分析

在電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，功率MOS作為核心開關(guān)元件，其可靠性直接決定了系統(tǒng)的整體性能。然而，在過壓、過流、過載等極端工況下，單個(gè)MOS管極易因熱失控、擊穿或機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致失效，進(jìn)而引發(fā)驅(qū)動(dòng)板失效甚至起火風(fēng)險(xiǎn)。為解決這一問題，本文深入剖析雙管冗余驅(qū)動(dòng)與四管冗余驅(qū)動(dòng)兩種方案，結(jié)合典型元器件選型與電路設(shè)計(jì)，揭示其故障隔離機(jī)制、性能優(yōu)化路徑及適用場(chǎng)景，為高可靠性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論支撐與實(shí)踐指導(dǎo)。

一、冗余驅(qū)動(dòng)方案的核心需求與失效模式分析

1.1 冗余驅(qū)動(dòng)的必要性

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，功率MOS管需承受高電壓、大電流及高頻開關(guān)應(yīng)力，其失效模式主要包括：

• 短路失效：DS極間擊穿、GS極間擊穿或GDS極間擊穿，導(dǎo)致功率回路直接導(dǎo)通，高壓傳導(dǎo)至低壓側(cè)；

• 開路失效：GS極開路或DS極開路，導(dǎo)致功率回路斷開，系統(tǒng)失去控制能力。

傳統(tǒng)單MOS驅(qū)動(dòng)方案在單點(diǎn)失效時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)故障隔離，可能引發(fā)連鎖反應(yīng)。冗余驅(qū)動(dòng)通過多MOS并聯(lián)與獨(dú)立驅(qū)動(dòng)通道設(shè)計(jì)，確保在單MOS失效時(shí)，系統(tǒng)仍能維持正常功能，避免災(zāi)難性故障。

1.2 典型失效模式與影響

以雙管冗余驅(qū)動(dòng)為例，不同失效模式對(duì)系統(tǒng)的影響如下：

• DS短路：若MOS管DS極短路，由于驅(qū)動(dòng)通道隔離設(shè)計(jì)，高壓不會(huì)傳導(dǎo)至低壓側(cè)，系統(tǒng)功能正常；

• GS短路：若上橋臂MOS管GS極短路，高壓可能損壞對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)模塊，但自舉二極管可阻斷高壓傳導(dǎo)，系統(tǒng)其他部分仍能正常工作；

• GS/DS開路：若MOS管GS或DS極開路，功率回路斷開，系統(tǒng)進(jìn)入安全關(guān)斷狀態(tài)，避免進(jìn)一步損壞。

四管冗余驅(qū)動(dòng)方案通過加倍MOS管與驅(qū)動(dòng)通道數(shù)量，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)對(duì)開路失效的容錯(cuò)能力，確保在任意單MOS失效時(shí)，系統(tǒng)功能不受影響。

二、雙管冗余驅(qū)動(dòng)方案詳解

2.1 電路架構(gòu)與關(guān)鍵元器件選型

雙管冗余驅(qū)動(dòng)方案的核心在于兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)通道與并聯(lián)MOS管的設(shè)計(jì)。典型元器件選型如下：

2.1.1 驅(qū)動(dòng)IC：UCC21225A

• 型號(hào)：UCC21225A（TI公司）

• 關(guān)鍵參數(shù)：

• 原邊供電電壓：3V-18V

• 副邊供電電壓：6.5V-25V

• 驅(qū)動(dòng)延遲時(shí)間：18ns

• CMTI（共模瞬態(tài)抗擾度）：100V/ns

• 驅(qū)動(dòng)能力：4A/6A

• 隔離等級(jí)：2500Vrms（UL1577標(biāo)準(zhǔn)）

• 功能與優(yōu)勢(shì)：

• 支持兩通道低邊驅(qū)動(dòng)、兩通道高邊驅(qū)動(dòng)及半橋驅(qū)動(dòng)，通過配置DT引腳可工作在overlap模式；

• 輸入與輸出隔離，驅(qū)動(dòng)通道間隔離，確保在單通道失效時(shí)，故障不會(huì)傳導(dǎo)至其他通道；

• 高CMTI能力，有效抵抗高頻開關(guān)噪聲干擾。

2.1.2 MOS管：IPW70R190CF（英飛凌）

• 型號(hào)：IPW70R190CF

• 關(guān)鍵參數(shù)：

• 最大漏-源電壓（VDSS）：75V

• 導(dǎo)通電阻（RDS(on)）：19mΩ（@VGS=10V）

• 封裝類型：TO-263-3L（表面貼裝式塑料封裝）

• 功能與優(yōu)勢(shì)：

• 低導(dǎo)通電阻，降低開關(guān)損耗，提升系統(tǒng)效率；

• 高壓耐受能力，適用于中小功率直流無刷電機(jī)控制器；

• 表面貼裝封裝，便于緊湊型PCB布局。

2.2 電路設(shè)計(jì)與工作原理

雙管冗余驅(qū)動(dòng)方案的典型電路設(shè)計(jì)如下：

• 驅(qū)動(dòng)供電：輸入通道供電通過電阻和二極管連接到驅(qū)動(dòng)供電軌，確保在單通道失效時(shí)，其他通道仍能正常工作；

• 自舉電路：當(dāng)下管導(dǎo)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓軌通過自舉二極管為自舉電容充電，自舉電容上的電壓為上橋臂驅(qū)動(dòng)模塊供電，自舉二極管擊穿電壓需大于母線電壓；

• PWM信號(hào)濾波：PWM輸入信號(hào)經(jīng)過RC濾波網(wǎng)絡(luò)，避免輸入干擾信號(hào)影響驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性。

2.3 性能優(yōu)化與局限性

雙管冗余驅(qū)動(dòng)方案在提升系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，也存在以下局限性：

• 控制邏輯復(fù)雜：上橋臂驅(qū)動(dòng)供電對(duì)最小同占空比和上電時(shí)序有嚴(yán)格要求，需精確設(shè)計(jì)時(shí)序控制電路；

• 信號(hào)延遲差異：由于MOS管本身特性不對(duì)稱，驅(qū)動(dòng)IC的兩個(gè)通道信號(hào)傳輸延遲存在差異，可能導(dǎo)致MOS開通/關(guān)斷特性不一致，引發(fā)震蕩，降低PWM頻率上限，增加開關(guān)損耗；

• 導(dǎo)通損耗加倍：MOS管數(shù)量加倍，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗加倍，需通過優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)或選用更低RDS(on)的MOS管來緩解；

• 無故障診斷：方案缺乏故障診斷功能，無法定位具體失效MOS管，增加維護(hù)難度。

三、四管冗余驅(qū)動(dòng)方案詳解

3.1 電路架構(gòu)與關(guān)鍵元器件選型

四管冗余驅(qū)動(dòng)方案在雙管冗余驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加倍MOS管與驅(qū)動(dòng)通道數(shù)量，實(shí)現(xiàn)更高的故障容錯(cuò)能力。典型元器件選型如下：

3.1.1 驅(qū)動(dòng)IC：UCC21225A（擴(kuò)展應(yīng)用）

UCC21225A在四管冗余驅(qū)動(dòng)方案中，仍作為核心驅(qū)動(dòng)IC，通過擴(kuò)展外圍電路實(shí)現(xiàn)四通道獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。其優(yōu)勢(shì)在于：

• 高隔離等級(jí)與CMTI能力，確保在多通道并行工作時(shí)，故障隔離效果顯著；

• 支持多種驅(qū)動(dòng)模式，便于靈活設(shè)計(jì)電路。

3.1.2 MOS管：IPW70R190CF（擴(kuò)展應(yīng)用）

IPW70R190CF在四管冗余驅(qū)動(dòng)方案中，通過并聯(lián)四顆MOS管實(shí)現(xiàn)功率冗余。其優(yōu)勢(shì)在于：

• 低導(dǎo)通電阻與高壓耐受能力，確保在多MOS管并聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)效率與可靠性不受影響；

• 表面貼裝封裝，便于緊湊型PCB布局，降低系統(tǒng)體積。

3.2 電路設(shè)計(jì)與工作原理

四管冗余驅(qū)動(dòng)方案的典型電路設(shè)計(jì)如下：

• 驅(qū)動(dòng)供電：采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)供電軌，確保在單通道失效時(shí)，其他通道仍能正常工作；

• 自舉電路：通過擴(kuò)展自舉二極管與自舉電容數(shù)量，實(shí)現(xiàn)上橋臂驅(qū)動(dòng)模塊的獨(dú)立供電；

• PWM信號(hào)濾波：采用多級(jí)RC濾波網(wǎng)絡(luò)，確保在多通道并行工作時(shí)，PWM信號(hào)穩(wěn)定性。

3.3 性能優(yōu)化與優(yōu)勢(shì)

四管冗余驅(qū)動(dòng)方案在提升系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，具有以下優(yōu)勢(shì)：

• 故障容錯(cuò)能力更強(qiáng)：在任意單MOS管失效時(shí)，系統(tǒng)功能不受影響，確保電機(jī)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)性；

• 故障隔離效果顯著：通過獨(dú)立驅(qū)動(dòng)通道與隔離設(shè)計(jì)，確保在單通道失效時(shí)，故障不會(huì)傳導(dǎo)至其他通道；

• 系統(tǒng)效率更高：通過優(yōu)化MOS管并聯(lián)數(shù)量與驅(qū)動(dòng)IC選型，降低導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗，提升系統(tǒng)效率。

四、冗余驅(qū)動(dòng)方案的比較與選型建議

4.1 雙管冗余驅(qū)動(dòng)與四管冗余驅(qū)動(dòng)的比較

4.2 選型建議

• 對(duì)成本敏感的應(yīng)用場(chǎng)景：推薦選用雙管冗余驅(qū)動(dòng)方案，通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)IC選型與電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)成本與可靠性的平衡；

• 對(duì)可靠性要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景：推薦選用四管冗余驅(qū)動(dòng)方案，通過加倍MOS管與驅(qū)動(dòng)通道數(shù)量，實(shí)現(xiàn)更高的故障容錯(cuò)能力；

• 需故障診斷功能的應(yīng)用場(chǎng)景：可通過擴(kuò)展外圍電路，如增加電流傳感器與故障診斷芯片，實(shí)現(xiàn)故障定位與報(bào)警功能。

五、冗余驅(qū)動(dòng)方案的應(yīng)用案例與優(yōu)化方向

5.1 應(yīng)用案例：電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

在電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，冗余驅(qū)動(dòng)方案可顯著提升系統(tǒng)的可靠性與安全性。以四管冗余驅(qū)動(dòng)方案為例，通過并聯(lián)四顆IPW70R190CF MOS管與選用UCC21225A驅(qū)動(dòng)IC，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高效與可靠。在單MOS管失效時(shí)，系統(tǒng)仍能維持正常功能，避免因驅(qū)動(dòng)失效導(dǎo)致的車輛失控風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 優(yōu)化方向

• 驅(qū)動(dòng)IC選型優(yōu)化：選用更高隔離等級(jí)、更低驅(qū)動(dòng)延遲與更高CMTI能力的驅(qū)動(dòng)IC，提升系統(tǒng)抗干擾能力與故障隔離效果；

• MOS管并聯(lián)數(shù)量?jī)?yōu)化：通過仿真與實(shí)驗(yàn)，確定最優(yōu)MOS管并聯(lián)數(shù)量，平衡系統(tǒng)效率、成本與可靠性；

• 散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化：采用高效散熱材料與散熱結(jié)構(gòu)，降低MOS管與驅(qū)動(dòng)IC的工作溫度，提升系統(tǒng)壽命與可靠性；

• 故障診斷功能擴(kuò)展：通過增加電流傳感器與故障診斷芯片，實(shí)現(xiàn)故障定位與報(bào)警功能，提升系統(tǒng)維護(hù)效率。

六、結(jié)論

本文深入剖析了電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中雙管冗余驅(qū)動(dòng)與四管冗余驅(qū)動(dòng)兩種方案，結(jié)合典型元器件選型與電路設(shè)計(jì)，揭示了其故障隔離機(jī)制、性能優(yōu)化路徑及適用場(chǎng)景。雙管冗余驅(qū)動(dòng)方案通過兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)通道與并聯(lián)MOS管的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在單MOS管失效時(shí)的系統(tǒng)功能正常；四管冗余驅(qū)動(dòng)方案則通過加倍MOS管與驅(qū)動(dòng)通道數(shù)量，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)對(duì)開路失效的容錯(cuò)能力。在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)系統(tǒng)對(duì)成本、可靠性、故障診斷功能的需求，選擇合適的冗余驅(qū)動(dòng)方案，并通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)IC選型、MOS管并聯(lián)數(shù)量、散熱設(shè)計(jì)及故障診斷功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能與可靠性的最大化。未來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)與電路設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，冗余驅(qū)動(dòng)方案將在電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，推動(dòng)高可靠性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新與發(fā)展。